微生物遗传和变异

微生物的遗传变异和育种遗传 (inheritance) ：是发生在亲子之间即上下代间的关系，即指上一代生物如何将自身的一套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的保守特性。

变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。

注：遗传和变异是生命的最本质特性之一（1）遗传型：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。

是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。

（2）表现型：具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。

注：表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。

（3）表型饰变：即外表的修饰性改变，是发生在转录、转译水平上的变化，不涉及遗传物质的结构改变。

特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为（4）遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为微生物是遗传学研究中的明星：（1）微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。

（2）很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。

（3）对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。

第一节遗传变异的物质基础一、核酸为遗传的物质基础生物分子：糖类、脂类、蛋白质、核酸1、肺炎双球菌实验证明了：DNA是转化所必需的转化因子；2、噬菌体感染实验证明了：遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质；3、植物病毒的重建实验证明了：在RNA病毒中，遗传物质基础也是核酸，只不过是RNA罢了。

通过上述三个实验证明了：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式1、细胞水平：在细胞水平上，真核微生物和原核微生物的大部分DNA都集中在细胞核或核区中。

分为原核微生物基因组、真核微生物基因组。

2、细胞核水平：真核生物的细胞核是有核膜包囊，形态固定的真核，核内的DNA与组蛋白结合在一起形成一种在光学显微镜下能见的核染色体；（1）基因组(genome)：一个物种的单倍体内的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。

（2）真核微生物，多条染色体(例如啤酒酵母有16条染色体)有时为双倍体。

（3）原核微生物：多为单倍体(在一般情况下仅一条染色体)。

（4）质粒(plasmid)：细胞质内能自主复制的核外染色体Ⅰ原核生物的质粒：①质粒：游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA(circular,covalently closed DNA)。

质粒具有超螺旋结构，分子量一般在106~108Da间，大小约为1%核基因组。

携带有某些染色体上所没有的基因，赋予细胞某些特殊功能。

②严紧型复制控制：质粒的复制与核染色体复制同步。

③松弛型复制控制：质粒的复制与核染色体复制不同步。

④质粒消除(curing或elinination)：含质粒的细胞在正常培养基上遇化学、物理因素处理时，质粒的复制受到抑制而核染色体的复制继续进行，子代细胞中质粒消除。

⑤附加体(episome)：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的功能，这类质粒称附加体。

3、染色体水平：（1）染色体数：不同生物染色体数差别很大，包括人类在内的一批代表性真核生物和原核生物的染色体数及其基因组大小。

（2）染色体倍数：指同意细胞中相同染色体的套数。

（3）双倍体：一个细胞中含有两套功能相同的染色体。

（4）合子：由两个单倍体细胞通过结合形成的。

4、核酸水平：（1）核酸种类：绝大数生物的遗传物质是DNA，只是部分病毒，包括多数植物病毒和少数噬菌体等的遗传物质才是RNA。

（2）核酸结构：绝大数微生物的DNA是双链的，只有少数病毒的DNA是单链。

（3）DNA长度：即基因组的大小，一般可用bp（碱基对）、kb（千碱基对）和Mb（兆碱基对）作单位。

5、基因水平：（1）基因：是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。

（2）结构基因：是决定某一多肽链结构的DNA模板，它是通过转录和翻译过程来执行多肽链合成任务的。

（3）操纵基因：是位于启动基因和结构基因之间的一段核苷酸序列，它与结果基因紧密哦连锁在一起，通过与阻遏物的结合与否，控制结构基因是否转录。

（4）启动基因：是一种依赖于DNA德RNA多聚酶所识别的核苷酸序列，它既是DNA多聚酶的结合部位，又是转录的起始位点。

（5）操纵子（operon）：由功能上密切相关且前后相连的结构基因及其共同的转录控制区（启动子P、操作基因○等）的核苷酸序列构成。

注：所以操纵基因和启动基因既不能转录出mRNA，也不能产生任何基因产物。

注：真核生物的基因与原核生物的基因有许多不同处，最明显的是它们一般无操纵子结构，存在着大量不编码序列和重复序列，转录与翻译在细胞中有空间分隔，以及基因被许多物编码功能的内含子阻隔，从而使编码序列变成不连续的外显子状态。

注：一般规范化的符号表示①基因名称，一般都用3个小写英文字母表示，且应排成斜体；若同一基因有不同位点，可在基因符号后加一正体大写字母或数字。

②基因表达产物——蛋白质的名称，一般用3个大写英文字母表示，并必须用正体；③抗性基因，一般吧“抗”用大写R注在基因符号的右上角。

6、密码水平：（1）遗传密码：是指DNA链上决定咯具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。

遗传密码的信息单位是密码子，每一个密码子由3个核苷酸序列即1个三联体所组成。

7、核苷酸水平：（1）每个碱基对的平均相对分子量约650；（2）1×106的dsDNA约1.5kb或0.5μm；（3）3nmol碱基的重量约等于1μg。

三、微生物的基因组结构Ⅰ原核微生物的基因组（大肠杆菌）1、染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；注1：链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白的蛋白质和少量RNA分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。

2、基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数；3、一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。

注2：原核微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。

4、染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；5、基因组上遗传信息具有连续性；6、结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；7、基因组的重复序列少而短。

注3：古生菌的基因组在结构上类似于细菌。

但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。

Ⅱ真核微生物的基因组（啤酒酵母）1）典型的真核染色体结构；如啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。

2）没有明显的操纵子结构；3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多；四、质粒质粒（plasmid）：是细胞中除染色体以外的遗传因子。

注：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。

Ⅰ质粒的分子结构：通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；细胞内的质粒分子可以有三种不同的构型；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）Ⅱ质粒的主要类型：1、根据质粒拷贝数进行分类①高拷贝数(high copy number)质粒（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）———松弛型质粒(relaxed plasmid)②低拷贝数(low copy number)质粒（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）———严谨型质粒(stringent plasmid)2、根据质粒宿主范围进行分类①窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）②广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）Ⅲ质粒的主要类型：1、致育因子(Fertility factor，F因子)：又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。

注：F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。

2、抗性因子（Resistance factor，R因子）：包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。

注：抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。

3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）：由细菌产生的、能够抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的蛋白质类代谢产物。

细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因。

注1：一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。

注2：由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。

4、毒性质粒（virulence plasmid）：许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。

（1）产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒；（2）苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒；（3）根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子。

5、代谢质粒（Metabolic plasmid）：质粒上携带有利于微生物生存的基因，使细胞能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。

（1）降解质粒：将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，在环境保护方面具有重要的意义。

（2）假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4-dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。

6、隐秘质粒（cryptic plasmid）：隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。

注：在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）Ⅳ有关质粒的功能：1、质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；2、在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。